当激光项圈驯服电弧，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发出电弧和激光组合3D打印技术:COLLAR Hybrid

根据3D科学谷的市场研究，线弧增材制造 (WAAM) 和线激光材料沉积 (WLMD)。这两种工艺都有与系统相关的优点和缺点：与 WAAM 相比，WLMD 成本高，沉积速率低，但其特点是热量输入低，并且可以在所需位置精确地形成层。出于这个原因，它在航空航天工业中尤其需要。如果需要更高的加工效率，WAAM 是更好的选择，不过可实现的表面更波浪，层堆积明显更粗糙。

▲电弧和激光组合3D打印技术:COLLAR Hybrid

©亚琛Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所

根据3D科学谷的市场观察，来自德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT 为 DVS 研究项目“KoaxHybrid”开发了电弧焊接和激光材料沉积混合的3D打印技术。

在亚琛，Fraunhofer研究所的工程师开发了一种新的光学系统，该系统采用玻璃基板和电弧炬，将气体保护金属电弧 (GMA) 焊接和激光材料沉积与环形光束结合在一起，从而创造了一种全新的工艺。

▲电弧和激光组合3D打印技术:COLLAR Hybrid

©亚琛Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所

当这些工艺同轴组合时，沉积速率可提高高达 150%，因此这种 3D 打印工艺也可用于大型部件。由于表面波纹度降低，根据Fraunhofer ILT，与纯粹的WAAM 工艺相比，所需的后处理量显着减少。

▲不同类型的金属3D打印技术的加工效率

©3D科学谷白皮书

组合工艺确保协同效应

电弧增材制造是一种成熟且稳健的工艺，因为不仅可以廉价获得必要的系统技术，而且大多数金属材料都可以用它来加工。但是，电弧不能像激光束那样精确聚焦。不能像激光一样用于产生精细和精确的轨迹。

作为对策，弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer LIT开发并建造了一种特殊的水冷光学系统，该系统采用玻璃基板和水冷电弧炬，用于高功率焊接和增材制造。能源被叠加，两个单独的3D打印过程的优势被有利地结合起来。

在混合工艺中，金属丝末端和基板之间的电弧被环形激光辐射包围，就像被套环一样。这种组合背后的想法是，电弧弧线无法突破这个激光项圈，并被强制引导。新工艺因其“强制引导”而得名COLLAR Hybrid，COLLAR指的是两种工艺的共同同轴激光弧。

弗劳恩霍夫 ILT 正在使用新系统技术进一步开发具有环形激光束和电弧技术的金属 3D 打印。同时，亚琛工业大学焊接与连接研究所 (ISF) 正在开发具有环形焦点的与方向无关的混合焊接和同轴送丝。这两个用例都是 DVS 研究项目 KoaxHybrid 的一部分。

新的制造自由度

新的混合工艺与众不同的不仅仅是更高的焊接速度——根据初步测试，与电弧焊相比提高了约 100%的速度，还带来了新的制造自由度。

根据Fraunhofer LIT，以往的电弧焊的加工过程中，当涉及到不仅是线性的焊缝时，会变得很困难，在每个拐角或曲线上，传统的设置都必须旋转，这会导致在路径编程方面付出巨大的努力。

而COLLAR Hybrid工艺其光学系统可以实现任何方向的焊接。此外，它还有望产生另一个积极影响：使用激光工艺（电弧完全关闭或以低功率关闭），可以沉积具有挑战性的区域和精细结构；使用多数电弧工艺，较粗的结构，例如宽肋或具有大沉积速率的区域，可以更快地沉积材料，成本效益更高，能量输入更低。

类似的构建策略也适用于铝或铜等材料，否则它们通常需要更昂贵的带有蓝色或绿色激光的光束源。例如，Fraunhofer ILT使用电弧分解氧化铝层，其熔化温度为2,200°C，但是下面的铝层只有 660°C 的熔化温度，然后可以用较低的综合功率进行焊接或加工。

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